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Con gli ultimi risultati presentati dagli esperimenti ATLAS e CMS alla conferenza internazionale “52-ème Rencontres de Moriond” e dall’esperimento LHCb in un seminario pubblico al CERN di Ginevra lo scorso 18 Aprile e successivamente alla conferenza “Incontri di Fisica delle Alte Energie” tenutasi a Trieste dal 19 al 21 aprile, nuovi interessanti scenari potrebbero aprirsi nella fisica del sapore, ed in particolare in quella branca della fisica delle particelle che studia il comportamento degli adroni contenenti un quark b.

Il quark b (denominato bottom o beauty dagli scienziati), è stato scoperto nel 1977, ed è il secondo quark più pesante dopo il quark top. Innumerevoli proprietà degli adroni contenenti il quark b sono state studiate ai collisionatori negli ultimi 40 anni, sia in macchine elettrone-positrone (tra le quali BABAR, LEP, Belle) che in macchine adroniche (quali il Tevatron e il Large Hadron Collider di Ginevra).

Tutti questi studi hanno portato alla scoperta di numerose nuove particelle e alla misura del grado di violazione della simmetria CP nel Modello Standard. La simmetria CP, qualora fosse rispettata, assicurerebbe che le leggi della fisica siano le stesse se contemporaneamente si invertono le coordinate spaziali e si trasforma una particella nella sua antiparticella. Negli anni ’90, l’esperimento BABAR mostrò per la prima volta che tale simmetria è violata anche negli adroni contenenti un quark b, offrendo così la prima evidenza dell’esistenza di questo fenomeno strettamente legato alla asimmetria tra materia e antimateria nel nostro Universo.

Gli ultimi risultati ottenuti da ATLAS, CMS e LHCb riguardano una famiglia particolare di adroni: i mesoni B. Come tutti i mesoni, essi sono formati da una coppia quark-antiquark, ed in particolare in questo caso da un quark b (o un antiquark b) e un antiquark (o quark) leggero (u, d, s). In particolare i mesoni in questione sono: il B⁺ (formato da un antiquark b e un quark u), il B⁰ (formato da un antiquark b e un quark d) e il B⁰_s (formato da un antiquark b e un quark s). Il primo ha carica elettrica +1, mentre gli altri due sono elettricamente neutri.

Tra i risultati presentati dai tre esperimenti riguardanti i mesoni B, tre sono le misure che rivelano sostanziali anomalie rispetto alle predizioni del Modello Standard. Sebbene ognuno dei risultati riguardi uno specifico canale di decadimento di uno dei tre mesoni sopra citati, tutti e tre i decadimenti fanno parte della generica categoria in cui, attraverso l’interazione elettrodebole, un quark b decade in un quark s e una coppia di leptoni (in questo caso specifico elettroni o muoni) con lo stesso sapore leptonico ma con carica elettrica opposta (attraverso i diagrammi di Feynman mostrati qui sotto)

Queste transizioni b –> s l⁺ l^– sono particolarmente interessanti perché nel Modello Standard sono soppresse attraverso un meccanismo detto FCNC (Flavour Changing Neutral Current). In pratica, due quark con la stessa carica elettrica ma diverso sapore (ad esempio il quark b e il quark s) non possono decadere direttamente uno nell’altro. Per fare un esempio pratico: un quark b non può decadere in un quark s o in un quark d emettendo un fotone o un bosone Z (mentre ad esempio può decadere in un quark c o un quark u emettendo un bosone W^±). L’effetto fisico di questa soppressione, che ha le sue origini nella particolare struttura di simmetria del Modello Standard, è che i decadimenti del tipo FCNC sono molto rari. Tuttavia, alcuni di essi hanno dei tassi di decadimento calcolabili con buona, se non ottima, precisione dal Modello Standard. Essi sono dunque il posto ideale per cercare, in via indiretta, segnali di processi di nuova fisica non previsti dal Modello Standard che possano far variare significativamente il valore misurato di questi tassi di decadimento.

Il primo canale, investigato per il momento solo dall’esperimento LHCb, che mostra un’anomalia significativa rispetto alle predizioni del Modello Standard è il decadimento B⁰_s –> φ μ⁺ μ^–. Questo decadimento è ricostruito andando a cercare due muoni e due mesoni K di carica opposta (il mesone φ infatti decade principalmente in una coppia di mesoni K) nello stato finale. Una volta individuate queste quattro particelle, viene ricostruita la massa invariante del B⁰_s iniziale e viene calcolato il tasso di decadimento in questo canale. La vera anomalia però appare quando viene misurato il tasso di decadimento in funzione del quadrato della massa invariante della coppia di muoni (denominato q²). Nella regione in cui q² è compreso tra 2 e 5 GeV², il risultato si discosta di 3.3 deviazioni standard locali (cioè senza tenere conto del “look elsewhere effect”) dalla predizione del Modello Standard. La misura e la previsione teorica hanno quindi una probabilità inferiore all’1% di essere compatibili tra loro.

La seconda anomalia riguarda il decadimento B⁰ –> K* μ⁺ μ^– . Similmente al decadimento precedente, lo stato finale è costituito da due muoni di carica opposta, un mesone K e un mesone π (il K* infatti decade principalmente in una coppia Kπ). In questo caso, tramite la distribuzione angolare delle 4 particelle dello stato finale, è possibile estrarre un parametro, detto P’₅, che è calcolato con buona precisione nel Modello Standard. La misura di questo parametro P’5 in funzione di q² è stata effettuata da tutti e tre gli esperimenti sopra citati, come mostrato nella figura sottostante. Sia ATLAS (pallini neri) che LHCb (quadratini blu) che Belle (pallini verdi) osservano una discrepanza compresa tra 2 e 3 deviazioni standard locali nella regione di q² compresa tra 4 e 6 GeV² per ATLAS e tra 4 e 8 GeV² per LHCb e Belle rispettivamente, rispetto a qualcuna delle predizioni teoriche (rappresentate dalle aree colorate in giallo, rosa o azzurro a seconda del gruppo di fisici teorici che ha formulato la predizione su questo parametro).

Infine, la terza anomalia, misurata per il momento solo dall’esperimento LHCb, riguarda un altro aspetto del Modello Standard, ovvero l’universalità del sapore leptonico. L’universalità del sapore leptonico (Lepton Flavour Universality – LFU) è una delle basi del Modello Standard e prevede che nelle interazioni elettrodeboli tutte e tre le famiglie di leptoni carichi del Modello Standard (cioè elettroni, muoni e tau) abbiano lo stesso accoppiamento con tutti i bosoni di gauge (ovvero W, Z e fotone). Fino ad ora, l’universalità leptonica era stata testata nei decadimenti diretti di bosoni W e Z in elettroni, muoni e tau (e rispettivi neutrini nel caso del decadimento del W) senza che alcuna anomalia rispetto alle predizioni del Modello Standard fosse osservata. L’esperimento LHCb ha invece testato la LFU in due distinti canali di decadimento: B⁺ –> K⁺ l⁺l^– e, ancora una volta, B⁰ –> K* l⁺l^– . In questo caso entrambe le misure sono state effettuate comparando i tassi di decadimento, chiamati R_K e R_K* rispettivamente per i due canali, nel caso in cui i due leptoni nello stato finale siano due elettroni o due muoni. In ognuno dei canali di decadimento, la misura del rapporto tra il tasso di decadimento in elettroni e quello in muoni mostra una discrepanza rispetto al valore previsto dal Modello Standard (conosciuto con una precisione dell’ordine del %), che varia tra 2.4 e 2.6 deviazioni standard locali. I risultati, mostrati nel grafico ad inizio pagina, sono consistenti tra loro e, nel caso fossero confermati con maggiore statistica, sembrerebbero suggerire, sebbene in modo non ancora statisticamente significativo, che ci siano contributi di nuova fisica.

Tutte queste misure si riferiscono a dati raccolti durante il Run1 e sono al momento limitate dalla statistica raccolta. Esse potranno dunque beneficiare notevolmente della grande mole di dati già raccolta durante il Run 2 di LHC nel 2015 e 2016 e di quella che verrà raccolta nei prossimi due anni di presa dati. Gli scienziati di tutti e tre gli esperimenti sono al lavoro per ripetere queste misure con i nuovi dati raccolti nel Run 2 in modo da aumentarne notevolmente la precisione.

D’altro canto, anche la comunità teorica è al lavoro per fornire predizioni più precise per i tassi di decadimento in questione. La regione a basso q² è infatti molto sensibile a fenomeni di QCD non perturbativi e alla presenza del quark charm nei diagrammi di Feynman. La combinazione di questi due effetti rende le predizioni teoriche molto difficili da calcolare. A seconda dell’approccio usato dai diversi gruppi di fisici teorici impegnati in questo tipo di stime, i risultati possono essere abbastanza diversi tra loro e in ogni caso noti con una precisione non comparabile con la QCD perturbativa.

È perciò necessario interpretare queste anomalie con prudenza visto che si tratta di discrepanze locali rispetto a predizioni teoriche che sono difficili da determinare con precisione nell’ambito del Modello Standard. I prossimi mesi saranno dunque cruciali per capire se queste anomalie siano semplicemente frutto di fluttuazioni statistiche oppure una manifestazione di nuovi fenomeni non previsti dal Modello Standard.

By umbertodesanctis